11000kgh苯-甲苯连续精馏塔的设计.doc

第1章 绪论

1.1 塔设备在化工生产中的作用和地位

塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。
精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。

1.2 设计背景

为了加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都加大了塔的研究力度。如今在我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等。填料种类出拉西、环鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。更加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进口一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作，加速了我国塔技术的开发。
国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步，是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构，而是主要取决与物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率。”在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。
经过我国这些年的努力，在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断的减小。

1.3 设计条件

进料量每小时11000公斤，原料中含苯40%（重量），以沸点状态送入塔内。要求塔顶馏出物含苯96%（重量），塔釜残液中含苯不大于5%，操作回流比取最小回流比的2.5倍。

1.4 问题研究

本设计是针对苯—甲苯的分离而专门设计的塔设备。根据设计条件以及给出的数据描述出塔温度的分布，求得最小回流比以及塔顶的相对挥发度、塔釜的相对挥发度、全塔平均相对挥发度，又根据物料平衡公式分别计算出精馏段和提馏段的汽、液两相的流量。之后，计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行了塔板结构的设计等。计算和设计这些之后进行了有关的力学性能计算和一系列的校核。

第2章 塔的工艺计算

2.1 塔温的分布
苯和甲苯的混合物是服从拉乌尔定律的理想溶液。在常压下它们的蒸汽压及汽液平衡数据，如下表所示：
表一 苯和甲苯的蒸汽压及汽液平衡数据

80.02
760
300
1.000
1.000
84.0
850
333
0.823
0.922
88.0
957
379.5
0.659
0.830
92.0
1078
432
0.508
0.720
96.0
1204
492.5
0.376
0.596
100.0
1344
559
0.256
0.453
104.0
1495
625
0.155
0.304
108.0
1659
704.5
0.058
0.128
114.0
1748
760
0
0

由表一数据作如图2-1等压曲线（t-x图）和图2-2气液平衡曲线（y-x图）。
将进料、塔顶和釜液的浓度以分子分数表示为：

1—汽相 2—液相
图2-1 苯-甲苯的等压曲线

根据图2-1可确定它定、塔釜和进料温度分别为：
由于沸点进料（q=1），由图2-1和图2-2可得与进料液体相平衡的蒸汽组成，由式（3-53a）得最小回流比：

塔顶的相对挥发度：

塔釜的相对挥发度：

则全塔的平均相对挥发度：

图2-2 气液平衡曲线

2.2 物料平衡

则有：

由上述方程式可求得：
)

操作回流比：

1.精馏段
液相流量：

气相流量：

2.提馏段
液相流量：

气相流量：

2.3 塔板数的计算
2.3.1 图解法
沸点进料（q=1）。q线方程为一垂线es，经过a点作精馏段操作线，其截距为：

再由b点作提馏段操作线，与精馏段操作线交于e点，连接be得提馏段操作线。
在平衡线和操作线之间作阶梯，得理论板数为11.7层，精馏段为5层，第6层为进料板。
2.3.2 差分方程法
塔顶馏出物的平均分子量：

塔顶馏出量：

进料液的平均分子量：

进料量：

釜液的平均分子量：

釜液量：

1.精馏段：
由下面公式可得:

=-1.9

精馏段操作线与平衡线交点的横坐标由下面公式求得：

=0.187
由于沸点进料q=1，所以得：

由公式求得精馏段理论板数：

=5.3（层）
2.提馏段：
由下面公式求得：

=-1.339

=-0.00867

=0.662
近似计算，取

由公式，取提馏段理论塔板数（包括塔釜）：

=6.14（层）
则全塔理论板数为：
N=5.3+6.14=11.44（层）
精确计算：
（1）取精馏段的理论板数为5层
（2）按公式计算
当n=5 时 公式变为下面形式：

可求得：

（3）由公式求得：
=0.46
（4）由公式求得提馏段的理论塔板数：

=6.35（层）
精确计算的理论板数（全塔包括塔釜）为5+6.35=11.35（层），与M、T图解法结果基本一致。
利用差分方程式法可以不必经过逐板计算而直接求得每层塔板上的液体组成。将相应的已知数值带入精馏段和提馏段方程式，简化后可得如下方程式：

精馏段：

提馏段：

计算结果列入下表：
　每层塔板上的液体组成
塔板序号
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
X
0.917
0.838
0.743
0.618
0.489
0.376
0.272
0.168
0.101
0.060
0.0374
取全塔理论板数为11层，扣除塔釜一层，则理论板数为10层。
现取全塔效率为７５％，则实际板数为：
取14（层）
精馏段的实际板数为：
（层）
（层）
提馏段的实际板数为：
（层）
第８层塔板为加料板。

2.4 热量平衡
2.4.1 塔顶蒸汽带出的热量

2.4.2 釜液带出的热量

2.4.3 料带入的热量

2.4.4 回流带入的热量

2.4.5 塔釜加热蒸汽带入的热量

2.4.6 热量损失
设热量损失为１０％，则

塔的热量平衡

2.5 塔径计算
2.5.1 精馏段
液体重度：
蒸汽重度：
液体的体力流量：

蒸汽的体积流量：

取板间距，板上清液层高度为，
则分离空间。

查负荷系数图得： C=0.075
苯在时的表面张力为
由公式可求得：

由公式可求得最大允许空塔速度为：

适宜空塔速度：

塔径由公式求得：

2.5.2 提馏段
液体重度：

汽相重度：

液体的体积流量：

蒸汽的体积流量：

取；；

查负荷系数图得：

甲苯在时的表面张力为
由公式求得：

由公式求得最大允许空塔速度为：

适宜的空塔速度：

塔径公式求得：

根据计算，精馏段和提馏段塔径选用D=1.7(米)，
此时两段的实际空塔速度为：

相应的空塔动能因数为：

均属正常操作范围。

2.6 塔板结构

根据塔径和液体的流量，选用弓形降液管，塔板采用电流程和分块式组装。
2.6.1 降液装置
1.偃长
取
2.偃高
由公式 求得
（1）精馏段

=53.5（毫米）
（2）提馏段

=46（毫米）
上下两段偃高均选用50毫米。
3.降液管面积
当时，由查表得：

塔的相对操作面积为：

4.液体在降液管中的停留时间
由公式求各段的停留时间：
（1）精馏段

（2）提馏段

5.降液管下端与下层塔板间的距离
精馏段和提馏段降液管下端与塔板间出口处的液体流速分别取

由公式可求得
（1）精馏段

（2）提馏段

上下两段均选用
2.6.2 浮阀的布置
选用十字架型圆盘浮阀，阀径为50毫米，阀重30～32克，塔板上孔径为40毫米，最大开度8毫米。
1.阀孔速度
由公式求阀孔的临界速度（或选定适宜的阀孔动能因数，求出阀孔速度）。
（1）精馏段
（米/秒）
（2）提馏段
（米/秒）

上下两段相应的阀孔动能因数为：

均属正常操作范围。
2.开孔率
由公式求得：
（1）精馏段

（2）提馏段

考虑到塔板加工方面起见，上下两段的开孔率均采用。
3.阀孔总面积
由公式求得：

4.浮阀总数
由公式求得：
取整为219（个）
5.塔板上布置浮阀的有效操作面积
已知
取 ；
由公式可求：

=0576（米）

由公式可得塔板上布置浮阀的有效操作面积为：

=1.53 （）
塔板有效操作面积为：

6.浮阀的排列
浮阀采取等腰三角形叉排排列。设垂直于液流方向的阀孔中心间距为t，与此相应的每排浮阀中心线之间距离，由公式求得：
取t=90(毫米)。

2.7 流体力学计算
2.7.1 塔板压力降
1.精馏段
（1）干板压力降
由公式得：

（2）克服液体表面张力的压力降
由公式得：

（3）通过泡沫层的压力降
由公式得：

=36.5 （毫米液柱）
取泡沫层比重为0.4，则
（毫米液柱）
塔板的总压力降：

以液柱表示：

2.提馏段
（1）干板压力降
由公式得：

=25.8 （毫米水柱）= 33（毫米液柱）
（2）克服液体表面张力的压力降
由公式得：

=0.47（毫米水柱） =0.6（毫米液柱）
（3）通过泡沫层的压力降
由公式得：

=44.2（毫米液柱）=35.5（毫米水柱）
塔板的总压力降

2.7.2 雾沫夹带量
已知，所以，

1.精馏段
由精馏段公式可以求的得：

=0.69（公斤液/公斤汽）〈 10%
2.提馏段
由上面公式求得：

（公斤液/公斤汽）〈 10%
2.7.3 溢流状况的计算
根据公式验算降液管内清液层的高度。
1.精馏段
降液管下端出口处液体的流速及液柱高度为：

取0.2 则（毫米液柱）
所以，

=141（毫米液柱）
2.提馏段
方法同上：
所以可求：

=155.92 （毫米液柱）
由于及均小于，所以不会产生液泛。
2.7.4 负荷上下限
1.雾沫夹带量控制计算
设雾沫夹带量为e=10%，并以提馏段计：

可求出

2.以淹塔控制计算
取
为简化计算起见，忽略液体负荷变动所产生的影响，以提馏段计：

所以，

所以，

由此可知，该塔为淹塔所控制。

则：
第3章 塔的结构设计

3.1 塔顶

3.1.1 塔顶空间
塔顶空间一般取=1.2～1.5米，在此，我们取塔顶空间为=1.5米。
3.1.2 塔顶蒸汽出口
取管内蒸汽流速，=0.977
则塔顶蒸汽管直径：

塔顶蒸汽管尺寸为的标准管。
选用法兰为，带颈平焊钢质管法兰（HG20594-97）。

3.2 人孔

选择DN450mm人孔，其中人孔处塔板间距为600mm，人孔数一共5个，位置分别为：人孔1位于1塔板上，人孔2位于4，5塔板之间，人孔3位于加料板8下，人孔4位于12塔板下，人孔5位于14塔板下。

3.3 塔底

3.3.1 塔底空间
取停留时间为5分钟，而已知，，而

在此取。
3.3.2 塔底出口
可公式求得釜液出口直径：

取釜液出口管尺寸为：的标准管。法兰为的带颈平焊钢制管法兰（HG20594-97）。

3.4 进口

3.4.1 塔顶回流进口
回流液由泵输送时，速度可取1.5～2.5（米/秒）。
由公式求得塔顶回流进口管直径：

取塔顶回流进口管尺寸为：的标准管。法兰为，带颈平焊钢制管法兰（HG20594-97）。
3.4.2 原料进口
料液由泵输送时可取1.5～2.5（米/秒），现取=1.5
由公式得进料管管径：

=0.057
取原料进口管管径为：80的标准管。法兰为，带颈平焊钢制管法兰（HG20594-97）。

3.5 裙座

3.5.1裙座的形状
为了制作的方便，裙座我们选用圆筒形裙座。
3.5.2 裙座与塔壳的连接
裙座与塔壳的连接采用对接接头形式。
3.5.3 排气孔或排气管
查表得出结构尺寸为：76 mm ,数量为4个.
排气孔的中心线距离裙座顶端的尺寸为H=180mm
3.5.4人孔
DN450 ，位置H=900 ， 数量一个。
开设人孔的目的是为了方便检修。
3.6 塔盘
3.6.1 塔盘类型
为了方便在塔的内部进行拆装工作，因此我们选用分块式塔盘。
3.6.2 塔盘板形状
选用矩形塔板
3.6.3 支持圈和支持板的尺寸
支持圈宽度为40mm，
支持板宽度为40mm，
材料为碳钢，厚度为6mm
3.6.4 塔盘分块结构如下图：
塔盘分块结构
第4章 强度校核
设计条件：
地区的基本风压值、地震设防烈度<=6级、塔内装有14层浮阀塔盘、每块塔盘存留的介质高为70mm、介质密度为800公斤/立方米，塔壳外表面保温层厚度为100mm 、保温层材料密度为300公斤/立方米、塔上每隔6m安装一层操作平台、宽1m操作平台共2层 、单位质量为100公斤/平方米,包角为180度。塔内设计压力为0.1MPa 设计温度为150 、塔壳厚度附加量为3mm、裙座厚度附加量为2mm。 裙座高为3m；焊缝系数取0.9；塔全高为13540mm。

4.1塔壳厚度计算

塔体材料选用20R、设计条件下的许用应力为：。
圆筒厚度为：

=0。175 （毫米）
封头厚度为：

=0.176 (毫米)
选用标准椭圆形封头，所以K=1,
因为钢板最小厚度不得小于4毫米，所以取圆筒和封头的厚度为4毫米加上厚度附加量3毫米等于7毫米。最后取厚度为8毫米的标准钢板。

4.2质量载荷计算

4.2.1 塔壳及裙座质量

=4560.3 （千克）
4.2.2 人孔、法兰和接管附件等的质量
（千克）
4.2.3 塔内构件的质量
（千克）
4.2.4 保温层质量

=1803 （千克）
4.2.5 平台扶梯质量

=989.86 （千克）
4.2.6 操作时塔内物料质量

=1046.2 （千克）
4.2.7 充水质量
（千克）
4.2.8 塔器的操作质量

=4560.3+1401.22+1803+989.86+1046.2+1140
=10940.58 （千克）
4.2.9 塔器的最大质量

=4560.3+1401.22+1803+989.86+1140+23911.5
=33805.88 （千克）
4.2.10 塔器的最小质量

=4560.3+1401.22+1803+989.86+1140
=9894.38（千克）

4.3 塔的自震周期计算

=0.47 （s）

4.4 地震载荷及地震弯矩的计算

由于设计条件中规定地震裂度为小于等于6级，所以在此地震载荷及地震弯矩均可忽略不计。

4.5 风载荷和风弯矩计算

4.5.1 风载荷
计算内容
计算结果
第一段
第二段
第三段
塔段长度m
0-5
5-10
10-13.54
基本风压值
450
动载荷系数
0.7
扶梯当量宽度
400
保温层厚度
100
管线保温层厚度 mm
100
操作平台当量宽度
600
风压高度变化系数
0.8
1.0
1.14
各计算段的外径mm
1716
各计算段的有效直径
2716
各计算段的风振系数
当塔高小于20m时，取1.70
各计算段长度 mm
5000
5000
5000
各计算段水平风力 N

5817.67
7272.09
8290.18
4.5.2 风弯矩
各段截面的风弯矩：
0-0截面的风弯矩：

=N
1-1截面的风弯矩：

=N
2-2截面的风弯矩：

= N

4.6 最大弯矩
最大弯矩根据下面公式计算，并取其中最大者：

计算结果如下：
0-0截面： N.mm
1-1截面： N.mm
2-2截面： N.mm

4.7 圆筒应力校核

验算塔壳2-2截面处操作时和压力试验时的强度和稳定性。计算结果见下表：
4.7.1塔操作时的应力校核：
计算截面
2-2
截面以上的塔的操作质量
9870.7Kg
计算截面的横截面积
24780mm2
塔壳的有效厚度
8mm
截面的截面系数

最大弯矩
MPa
许用轴向压应力
132
许用轴向拉应力
142．56
操作压力引起的轴向拉应力
5.3 MPa
重力引起的轴向应力 MPa
1.64 MPa
弯矩引起的轴向应力
2.66 MPa
轴向压应力
1.64+2.66=4.3〈132 MPa
组合拉应力
5.3-1.64+2.66=6.23〈142.56 MPa
结论：根据结果可知塔操作时圆筒稳定。
4.7.2 压力实验时的应力校核

0.2304 MPa
液压试验时截面上的塔的质量
28700
许用轴向压应力
132 MPa
许用周向应力
198．45 MPa
许用轴向拉力
238．1 MPa
实验压力引起的周向应力
=24.7〈198.45 MPa
压力引起的轴向应力
12.24 MPa
重力引起的轴向应力MPa
6.59 MPa
弯矩引起的轴向应力
0.79 MPa
轴向压应力
6.59+0.79=7.38〈132 MPa
组合拉应力
12.24-6.54+0.79=6.49〈198.45MPa
结论：根据结果可知道压力实验时圆筒稳定。

4.8 裙座壳轴向应力校核

裙座材料选用：Q235-A、采用对接焊缝、由于是圆筒形裙座，所以。为了方便选材壁厚S=8mm、裙座材料的许用应力=127× 、查表知B=70×
4.8.1操作时的压应力计算
由于

=
所以，操作时的压力校核合格。
4.8.2 水压实验时的压应力计算

=
所以，水压实验时的压力校核合格

4.9 基础环的计算

由于裙座内径为：
所以取基础环尺寸为：
外径：
=1700+300=2000mm
内径：
=1700-300=1400mm
基础环截面面积：

=
=1.60
基础环截面系数为：
Z==5.965

=1489.7N.m

=1012.4N.m
基础环厚度为：

=0.0082 （米）
其中为、二者中较大的者。
由于基础环厚度不应过小，所以在此我们取=18mm

4.10 地脚螺栓计算

4.10.1 求风侧最大拉应力
由于最小质量Mmin=9573.8Kg、风弯距=1.47N.mm；以及偏心距
所以最大拉应力：

=
=0.33MPa
4.10.2 计算地脚螺栓直径
首先，选择出螺栓的个数为32个、螺栓材料的许用应力为=132MPa、腐蚀裕量C=3mm。
那么，地脚螺栓的直径为：

=15.6mm
所以，选择32个M24的地脚螺栓就可以满足要求。

4.11 对接焊缝校核

有效厚度=8mm , =1700mm,
最大弯距= N.mm
操作时的全塔质量千克，许用应力=
那么
=
=5.5888
=0.9132=118.8
由于5.5888<=118.8,所以对接焊缝满足强度要求。

结论：
本设计主要从三个方面①塔的工艺计算②结构设计③强度校核，设计了苯—甲苯常压精馏塔。在工艺计算方面我主要是根据原料的基本参数对物料衡算、热量衡算、塔板数计算、塔板结构设计、水力学计算等方面进行计算和设计，其中对重点的塔板数、塔板结构进行了详细的分析。塔的工艺计算的直接关系到整个设计的成与败。在结构设计部分对裙座、人孔、一些重要的接管及塔的内件的位置进行了设计，同时还对一些焊接结构进行了说明。强度校核部分是本次设计的最后一部分，在这部分当中对塔的自振周期、风载荷、风弯矩、地脚螺栓、基础环进行了设计和计算，并且对壳体强度，圆筒应力，焊接焊缝等几个环节进行了校核。
由于能力以及实践还有许多不足，所以在整个设计过程中，难免有些不成熟和欠妥之处，希望老师能够批评指正。

参考文献

1、北京化工研究院“板式塔”专题组 编 《浮阀塔》 燃料化学工业出版社 出版 1975年
2、化工设备设计全书编辑委员会 编 《塔设备设计》 上海科学技术出版社 出版 1998年
3、路秀林、王者相 编 《塔设备》 化学工业出版社 出版2004年1月
4、石油化学工业部石油化工规划设计院组织 编 《塔的工艺计算》 石油工业出版社 出版 1979年
5、郑津津、董其伍、桑芝富 编 《过程设备设计》 化学工业出版社、教材出版中心 出版 2002年
6、姚玉英 编 《化工原理》（上） 天津大学出版社 出版 1999年
7、聂清德 编 《化工设备设计》 化学工业出版社 出版 1991年
8、蔡纪宁、张秋翔 编 《化工设备机械基础课程设计指导书》 化学工业出版社、教材出版中心 出版 2000年6月
9、全国压力容器标准化委员会 编 《GB150-98钢制压力容器》 出版1998年
10、中华人民共和国行业标准，HG20583-98《钢制化工容器结构设计规定》，出版1998
11、 中华人民共和国行业标准，HG20593-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》，出版1997
12、Albright,R.L.,and Yarnell,P.A.“Ion Exchange Polymers ,”Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,Volume 8,1987，John Wiley and Sons,Inc.(New York)

致谢：
经过十多周的努力，毕业设计完成了。在此我首先要感谢给予我很多帮助的指导教师。在设计过程中巨老师指出了我的一些不足并督促我改进，这才使我在够顺利完成毕业设计的同时又学到了怎样把所学的理论知识串联起来运用到实际中。老师的指导不仅是对我的毕业设计有很大的帮助，还使我对毕业后的工作增添了许多信心。我还要感谢过程装备与控制工程专业教研室的其他老师，他们在我的设计过程中也给我提供了许多指导和帮助。同时我也要感谢
对于那些在设计过程中帮助过我的所有老师和同学，我再一次的表示深深的感谢！
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